物联网无线传感器节点设计

  无线传感器节点( WSN )在促进物联网( IoT )发展方面发挥着关键作用。WSN的优点在于,它的功耗极低,尺寸极小,安装简便。对很多物联网的应用而言,譬如安装在室外的应用,WSN可使用太阳能供电。当室内有光,系统就由太阳光供电,同时为细小纽扣电池或超级电容器充电,以在没有光的情况下为系统供电。

  在一般情况下,无线传感器节点是传感器为基础的设备,负责监察温度、湿度或压力等条件。节点从任何类型的传感器收集数据,然后以无线方式传递数据到控制单位,譬如计算机或移动设备,并在此处理、评估数据,并采取行动。理想情况下,节点可以由能量收集机制获得作业电源,成为独立运作的设备。从一般意义上讲,能量收集的过程是捕捉并转换来自光、振动,或热等来源的极少量能量为电能的过程。

  图 1:能量收集系统设计示例

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  图 1 显示了能量收集系统的框图。能量是由能量收集系统 (如太阳能板)收集,并由电源管理集成电路 (IC) (PMIC) 转换成稳定的能量,再使用低漏、低阻抗的电容器储存。这些能源能供给传感器接口负载 (譬如微控制器MCU),而MCU是用无线方式来传送数据的传感器。本图中,能量收集传感器( EHS )是无线传感器节点。

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  图 2:无线传感器节点系统示例

  图2显示了无线传感器节点的框图。在这里,已处理的传感器数据会透过低功耗蓝牙( BLE )以无线方式传输。BLE 是用于短距离、低功耗无线应用的标准,以交流状态或控制信息。BLE 在2.4 GHz ISM 频带及二进制频移键控(GFSK)调制下运作,此支持1 Mbps 的数据速率。

  而电源管理 IC是用来稳定能量收集设备所要求的功秏,以支持其超低功耗的运作。  打个比方,赛普拉斯S6AE103A PMIC 器件的电流消耗低至280 nA,启动功率为 1.2uW(见图3)。因此,在约100勒克斯(lx) 的低亮度的环境中,紧凑型太阳能电池依然可以获得少量的能量。

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  图 3:用于能量收集的S6AE103A PMIC 器件框图

  高效的无线传感器节点设计

  让我们考虑一下设计无线传感器节点所涉及的步骤:

  第 1 步:选择硬件:

  在硬件方面,你需要适当的传感器,一台最终能用能量收集设备供电的MCU及 PMIC。你可能需要额外的无源组件,此视乎设计而定。

  传感器可以是仿真或数字形式。现今市面上很多传感器是使用基于集成电路总线(I2C)、串行外设接口 (SPI)或异步收发传输器(UART)界面为标准的数字传感器。电耗极低的传感器在市面上亦有售。为了保持设备成本维持低水平,外形小巧,配有综合BLE的MCU能够简化设计,并缩短推出市场的时间。为了进一步加快设计,许多厂商都使用完全综合,完全通过认证的可编程模块,例如赛普拉斯EZ-BLE Modules。模块由一个主要MCU、两块结晶、芯片或跟踪天线、扩展板及无源组件组成。由于这些模块已经拥有必须的BLE认证,产品可以快速推出市场。

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  第 3 步优化固件,最大限度地降低平均电流消耗

  情况有可能是,初始计算出的设计功率的太高,太阳能 PMIC 无法支持。如果是这样,你就需要优化固件。这里有几个有效方法来执行此操作:

  执行优化 MCU 的启动代码:当MCU 正在启动,你不需要使用如24MHz晶产时钟的高频外部时钟,以操作BLE。最初就关掉此时钟,能够节约能源。再者,时钟晶体可以利用这些时间稳定下来,而其亦是启动的其中一个部件。这些时钟渐渐稳定下来,MCU 可以再次调较至低耗模式,内部低频时钟可以在时钟预备好的时候唤醒设备。简而言之,启动代码的执行时间可以很长,并且固件设计人员需要尽量减少启动电流消耗。

  a.降低主 CPU 运作频率

  b.在进入低功率模式前,控制驱动模式,以防止MCU引脚泄漏电流。

  c.如果MCU支持任何调试接口,要将它们废除。

  这些步骤有助降低平均电流消耗。

  第 4 步:设计硬件

  有了功耗优化的固件,是时候基于PMIC设计硬件 。图 6 显示了一个简单以能量收集基础的 PMIC 设计。

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  图 6:简单的能量收集设计

  在 PMIC 首先储存太阳能到储存的设备 VSTORE1 (VST1),此事例为一个300-μF 的陶瓷电容器。当 VST 1 达到 VOUTH V,能量就可以发送到 MCU 。但这个简单的能量收集设计不能全日运作,原因是没有备份电容器。让我们来看看,备份电容器如何加配到PMIC设备,和电容器能够如何帮忙MCU。

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  图 7:能量收集与备份电容器

  操作WSN 所需的能量首先存储在 VST 1 ,剩余的能量用于 VST 2充电 。存储在 VST 2 的能量可于没有光线照射的情况下持续提供予 WSN 。此外,还可以连接一个额外的纽扣电池到 PMIC,以增加可靠性,如图8所示 。

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  图 8:多个电源输入的能量收集

  PMIC 转换两种电源来源,以便 WSN 可以在所有条件下(即使没有灯光的情况)运行。转换自动产生,使能源在有需要时供应给WSN 。因此,这可能是 WSN的 最适当的硬件设计。

  第 5 步:设计用户界面

  连接到无线传感器节点的用户界面设计可以是用WSN传输,以接收数据的手机应用,就是这么简单。由于传感器的数据可能会在广播包固定位置出现,BLE应用可以设计到能够从这些位置提取相关数据,并将数据显示到你的手机上。这种技术可用于管理多个 WSNs 构成的复杂网络。

 

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发布日期:2019年03月03日  所属分类:参考设计